DE2455040C3

DE2455040C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines reproduzierbaren druck- und flächenkonstanten Metall-Halbleiter-Kontaktes für Spannungs-Kapazitäts-Messungen an Halbleiterproben

Info

Publication number: DE2455040C3
Application number: DE2455040A
Authority: DE
Inventors: Peter 5280 Braunau Siegesleitner; Fritz Dipl.-Ing. 8263 Burghausen Vieweg-Gutberlet
Original assignee: Wacker Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 1974-11-20
Filing date: 1974-11-20
Publication date: 1979-02-22
Also published as: JPS5159278A; DE2455040B2; JPS5416396B2; US4021735A; DE2455040A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines reproduzierbaren, druck- und flächenkonstanten Metall-Halbleiter-Kontaktes für Spannungs-Kapazitäts' Messungen an Halbleiterproben mit Quecksilber als Metallkomponente und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, einen Quecksilbertropfen als Kontakt gegenüber einer Halbleiteroberfläche zu verwenden. Üblicherweise wird dabei in einer engen Kontaktkanüle, die an einer Stelle durch die Halbleiteroberfläche abgeschlossen wird, eine Quecksilbersäule aufgebaut. Der Aufbau dieser Quecksilbersäule gelingt nach R. Hammer, Reviec of Scientific Instruments 41 (1970), Nr. 2 (Febr.), S. 292 und 293 nach dem System der kommunizierten Röhren: An einem U-förmig abgebogenen, mit Quecksilber gefüllun Schlauch befindet sich an einem Ende die Kontaktkanüle, gegen deren Ausgang die Halbleiterprobe gepreßt wird, und am anderen Ende ein Ausgleichsgefäß. Durch Anheben des Ausgleichsgefäß fließt das Quecksilber in die Kanüle unter Ausbildung des gewünschten Kontaktes mit der Halbleiteroberfläche. Die Konstanz des Kontakdrukkes wird hierbei durch Anheben auf eine konstante Höhe gewährleistet.

Nach dem Verfahren von P. I. Sever in, Paper No. 75, Spring Meeting of the Electrochemical Society Chicago, Mai 1973, S. 188—191 wird der Aufbau der Quecksilber in der Kontaktkanüle und damit der Kontaktdruck mit Druckluft erzeugt. Aus einer Druckluftleitung wird über ein Reduzierventil ein bestimmter Luftdruck auf eine Seite des mit Quecksilber gefüllten und in eine Kontaktkanüle mündenden Vorratsgefäßes gegeben, so daß das Quecksilber in der Kontaktkanüle hochsteigt und die Halbleiteroberfläche kontaktiert

Neben der Unhandlichkeit der Druckerzeugung besteht bei beiden Verfahren immer dann, wenn das Kanülenende nicht durch eine Halbleiterprobe abgeschlossen wird, die Gefahr, daß hochgiftiges Quecksilber aus der Kanüle austritt. Andererseits ist es aber unumgänglich, das Quecksilber unter einem gewissen und dabei reproduzierbar konstanten Druck gegen die Kalbleiteroberfläche zu pressen, da sich aufgrund der hohen Oberflächenspannung des Quecksilbers an der Kontaktstelle zur Halbleiterprobe kein reproduzierbar ebener Kontakt ausbildet, sondern vielmehr in Abhängigkeit vom Druck Menisken an den Rändern des Quecksilberkontaktes entstehen. Um aber die Kontaktfläche von Messung zu Messung konstant zu halten, muß das Quecksilber mit reproduzierbarem konstantem Druck gegen die Haltleiteroberfläche gepreßt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Spannungskapazitätsmessungen an Halbleiterproben so durchzuführen zu können, daß die Nachteile bekannter Verfahren ausgeschlossen werden, also ein Verfahren zu finden, welches einfach und bequem durchzuführen ist und bei welchem die Gefahr, daß Quecksilber bei der Messung aus der Apparatur austritt, ausgeschlossen wird.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß das Quecksilber vermittels eines bewegten Druckkolbens unter reproduzierbarem konstantem Druck aus einem Vorratsbehältnis durch eine Kontaktkanüle mit konstantem Durchmesser gegen eine Halbleiteroberfläche gepreßt wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung gibt in schematischer Form eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung wieder, die aus einer Quecksilberelektrode 1, einem die Quecksilberelektrode 1 enthaltenden Gehäuse 2 und einem an der Oberfläche des Gehäuses 2 aufgebrachten Rückseitenkontakt 3 besteht und dadurch gekennzeichnet ist, daß das vorzugsweise rohrförmige ausgebildete, das Quecksilber enthaltende Vorratsgefäß 4, dessen eine Seite in eine Kontaktkanüle 5 übergeht, die in der Oberseite des die Quecksilberelektrode enthaltenden Gehäuses 2 mündet, am anderen Ende durch einen bewegbaren Druckkolben 6 abgeschlossen wird.

Die Druckkonstanz des Quecksilber-Halbleiter-Kontaktes wird vorzugsweise dadurch gelöst, daß die Kontaktkanüle 5 mit einem Ausgleichsgefäß 7 verbunden wird, das mit einem frei beweglichen Ausgleichskolben 8 abgeschlossen ist. Der Quecksilberstand in dem vorzugsweise rohrförmig ausgebildeten Vorratsgefäß 4 wird vorteilhaft so eingestellt, daß bei voll zurückgenommenen Druckkolben 6 in der Kontaktkanüle 5 gerade noch kein Quecksilber steht. Wird der Druckkolben 6 vorwärts bewegt, so steigt das Quecksilber in der Kontaktkanüle 5 an, bis es die Halbleiteroberfläche 9 berührt.

Bei der weiteren Vorwärtsbewegung des Druckkolbens 6 strömt langsam Quecksilber in das Ausgleichsge-

faß 7 und hebt dabei den Ausgleichskolben 8 gerade von der Auflagefläche ab. Der Kontaktdruck an der • !albleiteroberfläche 9 wird somit hauptsächlich durch das Gewicht des Ausgleichskolbens 8 bestimmt. Damit ist Druckkonstanz in dem in sich voll geschlossenen System erreicht, ohne daß eine von außen einwirkender Luftdruck benötigt wird.

Durch den die Halbleiterprobe 9 niederhaltenden Rückseitenkontakt 3 kann die Probe auch durch den Quecksilberdruck nicht abgehoben werden. A!s Rück- w seitenkontakt wird bevorzugt ein 4-Spitzen-Meßkopf mit beispielsweise quadratischer Anordnung der Nadeln verwendet. Der Vorteil liegt darin, daß durch die Wolframkarbidspitzen eine eventuell vorhandene Grenzschicht besser durchstoßen wird als durch einen Flächenkontakt. Besonders vorteilhaft ist es dabei, den Bewegungsmechanismus 10 des Rückseitenkontaktes 3 so mit der Bewegung des Druckkolbens 6 zu koppeln, daß der Druckkolben 6 nur dann vorwärts bewegt werden kann, wenn durch den Rückseitenkontakt 3 die Halbleiterprobe 9 fest auf den Ausgang der Kontaktkanüle 5 gepreßt wird, und damit das System gegen unbeabsichtigtes Auslaufen von hochgiftigem Quecksilber gesichtert ist. Besonders bei einem Druckluftsystem besteht immer die Gefahr, daß beim Bruch der Halbleiterprobe während der Messung Quecksilber durch den Luftdruck ausgeblasen wird. Wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Hebel, der den Druckkolben 6 in Richtung Quecksilbersäule vorwärts bewegt, bis zum Anschlag umgelegt, so wird durch den in Druckkolben 6 nur so viel Quecksilber aus derr. Vorratsgefäß 4 in das Ausgleichsgefäß 7 gedrückt, daß der Ausgleichskolben 8 gerade angehoben wird. Bei einem Bruch der Halbleiterprobe 9 kann deshalb nur ein kleiner Tropfen Quecksilber den Ausgang der Kontaktkanüle 5 verlassen. Dieser Tropfen kann durch Zurücknehmen des Druckkolbens 6 aber leicht in die Kontaktkanüle 5 zurückgesaugt werden. Der Durchmesser der Kontaktkanüle 5 liegt etwa bei 0,3 bis 1 mm, vorzugsweise bei 0,4 bis 0,6 mm, und der beispielsweise aus Blei bestehende Ausgleichskolben 8 wird so dimensioniert, daß auf die Halbleiterprobe 9 durch das Quecksilber ein Druck von 10⁴ bis 6 .·, 10* Pa, vorzugsweise 2,5 χ 10⁴ Pa bis 3,5 χ 10⁴ Pa₁ ausgeübt wird. Ein Mindeststück von 10⁴ Pa ist erforderlich, um die Ausbildung von Menisken an den Rändern des Quecksiiberkontaktes zu vermeiden, während bei einem Druck von mehr als 6 χ 10⁴ Pa die Gefahr besteht, daß Quecksilber zwischen Halbleiterprobe und Auilagefläche gepreßt wird. Beide Erscheinungen würdnen aber zu nicht reproduzierbaren Kontaktflächen führen und das Ergebnis der Messung verfälschen.

Die Bestimmung der Trägerzahl in einer Halbleiterprobe wird üblicherweise nach der Spannungs-Kapazitäts-Methode mittels Hochfrequenz-Kapazitäts-Meßbrücken durchgeführt. Hierbei spielen Streukapazitäten für die Reproduzierbarkeit der Messung eine wesentliche Rolle. Diese Streukapazitäten setzen sich zusammen aus der Streukapazität zwischen Halbleiterprobe und Quecksilbersäule und der Streukapazität zwischen der Quecksilberelektrode und der Umgebung, der sogenannten »Handkapazität«.

Eine mögliche Abhilfe gegen »Handkapazitäten« besteht darin, die Quecksilberelektrode in einem geschirmten Kasten aufzubauen. Hierdurch werden jedoch unterschiedliche Streukapazitäten als Folge unterschiedlicher HaibleiterprobengröSen nicht ausgeschaltet, weshalb die Streukapazität dann von Messung zu Messung neu eingemessen und kompensiert werden muß.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist, wird dieses Problem durch Anbringen eines großflächigen elektrischen Schirms 11 zwischen Halbleiterprobe 9 und Quecksilbervorratsgefäß 4 gelöst, der aus einer Metallfolie, beispielsweise Aluminium, oder einem anderen vorteilhaft kein Amalgam bildenden Metall besteht, den der Halbleiterprobe 9 zugewandten Teil des Gehäuses 2 abdeckt und das freie Ende der Kontaktkanüle 5 umschließt. Die kapazitiven Verhältnisse um die Kontaktkanüle 5 sind dadurch einheitlich und werden so gut wie ausschließlich von der Schirmfläche 11 bestimmt Zur Eichung der Streukapazität zwischen der Quecksilbersäule in der Kontaktkanüle 5 und dem elektrischen Schirm 11 wird dieser mit der Masse des Meßsystems verbunden. Die Streukapazität zwischen der Quecksilbersäule in der Kontaktkanüle 5 und dem elektrischen Schirm 11 ist gleichbleibend und unabhängig von der Halbleiterprobenform oder von den sogenannten »Handkapazitäten«, wodurch die Durchführung der Messung wesentlich vereinfacht wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die darin eingesetzte Vorrichtung werden präzise Spannungs-Kapazitäts-Messungen an Halbleiterproben, wie etwa die Bestimmung des spezifischen, elektrischen Widerstandes oder der Bestimmung der Trägerzahl in einem Halbleiter, in der Durchführung wesentlich vereinfacht.

Beispiel 1

Mit einer erfindungsgemäß ausgeführten Vorrichtung wurden Reproduzierbarkeitsversuche für den Kontaktflächendurchmesser an Siliciumscheiben durchgeführt. E.S ergab sich dabei, daß bei 500 aufeinanderfolgenden Messungen unter einem Quecksilberdruck auf die Halbleiteroberfläche von 3 χ 10⁴ Pa für einen Kontaktflächendurchmesser von 0,5 mm um eine maximale Abweichung von ±0,3% und eine Standartabweichung von ±0,12% erreicht wurde. Diese Toleranzen sind für die Anwendung bei Spannungs-Kapazitäts-Messungen voll ausreichend. Außerdem war die Fehlerverteilung statistisch, woraus zu entnehmen ist, daß weder an der Halbleiterprobe Quecksilber verblieb noch an anderer Stelle Quecksilber verlorenging.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung eines reproduzierbaren, druck- und flächenkonstanten Metall- Halbleiter-Kontaktes für Spannungs-Kapazitäts-Messungen an Halbleiterproben mit Quecksilber als Metallkomponente, dadurch gekennzeichnet, daß das Quecksilber ve mittels eines bewegten Druckkolbens unter reproduzierbarem, konstantem Druck aus einem Vorratsbehälter durch eine Kontaktkanüle mit konstantem Durchmesser gegen eine Halbleiteroberfläche gepreßt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Quecksilberelektrode (1), einem die Quecksilberelektrode (1) enthaltenden Gehäuse (2), einem an der Oberfläche des Gehäuses (2) angebrachten Rückseitenkontak'.es (3), dadurch gekennzeichnet, daß das vorzugsweise rohrförmig ausgebildete, das Quecksilber enthaltende Vorratsgefäß (4), dessen eine Seite in eine Kontaktkanüle (5), die mit einem durch einen frei beweglichen Ausgleichskolben (8) abgedeckten Ausgleichsgefäß (7) verbunden ist und die in der Oberseite des die Quecksilberelektrode (1) enthaltenden Gehäuses (2) mündet, am anderen Ende durch einen bewegbaren Druckkolben (6) abgeschlossen wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkolben (6) der Quecksilberelektrode (1) mit dem Rückseitenkontakt (3) gekoppelt ist und nur dann bewegt werden kann, wenn der Ausgang der Kontaktkanüle (5) durch eine vom Rückseitenkontakt (3) niedergehaltene HaIblciterprobe (9) abgeschlossen wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch is gekennzeichnet, daß die obere, der Halbleiterprobe (9) zugewandte Abdeckung des Gehäuses (2) einen großen elektrischen Schirm (11) enthält, der die Kontaktkanüle (5) umschließt.

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